(57)【要約】【課題】多孔質の電極層を備える固体酸化物形燃料電池において、発電特性を向上させることができる新たな多孔質電極構造を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池２において、固体電解質層６と、多孔質電極層１０、１６と、多孔質電極層１０、１６においてその構成材料により区画された１又は複数のキャビティ２０と、を備えるようにする。このようなキャビティ２０を備える多孔質構造を備えることにより発電特性が向上する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池であって、
固体電解質層と、
多孔質電極層と、
前記多孔質電極層においてその構成材料により区画された１又は複数のキャビティと、
を備える、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記キャビティは、前記多孔質電極層のガス流路側及び／又は前記固体電解質層側に開口されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記キャビティは、前記多孔質電極層のガス流路側に開口している、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記キャビティは、前記固体電解質層に到達するように前記多孔質電極層を貫通している、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
多数個の前記キャビティを前記多孔質電極層に分散状に備える、請求項２〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記キャビティは、前記多孔質電極層において連続状に形成されている、請求項２〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記キャビティの前記ガス流路側への開口幅の最大寸法が５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項３〜６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記キャビティは、前記ガス流路のガス流通方向に沿って備えられている、請求項１〜７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質電極層において前記キャビティの前記ガス流路側に開口される開口面積の合計は、全電極面積の５％以上４０％以下である、請求項３〜８のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記多孔質電極層の厚さは５μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１〜９のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
前記電極は燃料極である、請求項１〜１０のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
任意のパターンで１又は複数のキャビティを備える多孔質電極層を形成する工程を備える、製造方法。
【請求項１３】
前記多孔質電極層形成工程は、固体電解質層に対して電極材料を付与すると同時にパターニングして前記固体酸化物形燃料電池におけるガス流路側に開口されるキャビティを備える多孔質電極層を形成する工程である、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記多孔質電極層形成工程は、前記電極材料を付与して印刷手法によりパターニングする工程である、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記多孔質電極層形成工程は、エネルギー波の照射を伴って前記電極材料を切削する工程である、請求項１２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関し、詳しくは、良好な発電特性を備える固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池の燃料極では、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットをはじめとする燃料極における酸化物イオン導電パス、電子伝導パスのほか、燃料及び生成ガスをできる限りスムーズに燃料極内部に行き渡らせるためのミクロな細孔を含む多孔質構造とすることが不可欠であるとされている。例えば、特定構造のガスチャンネルを有する構造を有し、多孔質の燃料極を備える固体酸化物燃料電池が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１５２７６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、こうした電極の多孔質構造について詳細な検討がされているわけではない。濃度分極は固体酸化物形燃料電池の高燃料利用率での最高パワー出力を決めるために重要であるが、こうした状況下においては、最適な電極構造は不明である。
【０００４】
そこで、本発明では、多孔質の電極層を備える固体酸化物形燃料電池において、発電特性を向上させることができる新たな多孔質電極構造を提供することを、一つの目的とする。また、本発明は、濃度分極を抑制することができる多孔質電極構造を備える固体酸化物形燃料電池を提供することを他の一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記した課題を解決するべく検討したところ、意外にも、多孔質電極構造に対してマクロなキャビティを形成することにより、発電特性が向上することを見出し本発明を完成した。すなわち、本発明によれば以下の手段が提供される。
【０００６】
本発明の一つの態様によれば、固体酸化物形燃料電池であって、固体電解質層と、多孔質電極層と、前記多孔質電極層においてその構成材料により区画された１又は複数のキャビティと、を備える、固体酸化物形燃料電池が提供される。前記多孔質電極層は、空気極及び燃料極を含むが、本発明においては燃料極であることが好ましい。
【０００７】
この態様においては、前記キャビティは、前記多孔質電極層のガス流路側及び／又は前記固体電解質層側に開口されているとすることができる。また、前記キャビティは、前記多孔質電極層のガス流路側に開口しているものとすることができる。さらに、前記キャビティは、前記固体電解質層に到達するように前記多孔質電極層を貫通しているものとすることができる。
【０００８】
また、この態様においては、多数個の前記キャビティを前記多孔質電極層に分散状に備えることもできるし、前記キャビティを前記多孔質電極層において連続状に備えることもできる。
【０００９】
また、この態様においては、前記キャビティの前記ガス流路側への開口幅の最大寸法が５０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。また、前記キャビティは、前記ガス流路のガス流通方向に沿って備えることもできる。
【００１０】
さらにまた、前記多孔質電極層において前記キャビティの前記ガス流路側に開口される開口面積の合計は、全電極面積の５％以上４０％以下とすることができる。また、前記多孔質電極層の厚さは５μｍ以上１ｍｍ以下とすることができる。
【００１１】
また、本発明の他の一つの態様によれば、固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、任意のパターンで１又は複数のキャビティを備える多孔質電極層を形成する工程を備える、製造方法が提供される。
【００１２】
この態様においては、前記多孔質電極層形成工程は、固体電解質層に対して電極材料を付与すると同時にパターニングして前記固体酸化物形燃料電池におけるガス流路側に開口されるキャビティを備える多孔質電極層を形成する工程とすることができる。
【００１３】
また、この態様においては、前記多孔質電極層形成工程は、前記電極材料を付与して印刷手法によりパターニングする工程とすることもできる。さらに、前記多孔質電極層形成工程は、エネルギー波の照射を伴って前記電極材料を切削する工程とすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の固体酸化物形燃料電池（以下、単にＳＯＦＣという。）は、固体電解質層と、多孔質電極層と、前記多孔質電極層においてその構成材料により区画されたキャビティと、を備えることを特徴としている。本発明の固体酸化物形燃料電池は、多孔質電極層においてその構成材料、すなわち、多孔質電極構造によって区画されたキャビティを備えることで、濃度分極を抑制するなど高い発電特性を得ることができる。本発明のＳＯＦＣにおいては、こうしたキャビティを備える多孔質電極構造を備えることにより、発電に有効な実効面積は同一か逆に小さくなるにも関わらず、発電特性が向上されることから、多孔質電極層の細孔に依拠する空隙構造以外の多孔質構造が存在しないキャビティが有効に作用するものと推測される。以下、本発明のＳＯＦＣ及びその製造方法について詳細に説明する。
【００１５】
（ＳＯＦＣ）
図１には、本発明のＳＯＦＣのセルの一例を示し、図２には、キャビティの各種のパターニング形態を示し、図３には、さらに他のパターニング形態を示す。
【００１６】
本発明のＳＯＦＣ２は、固体電解質層６と多孔質空気極層１０と多孔質燃料極層１６とを備えたセル４のスタックとして構成されている。なお、本発明のＳＯＦＣ２は、図１に例示する平板型のほか、円筒型などの形態を全て含むものである。また、スタック形態に限定せずに単セル型のＳＯＦＣも含んでいる。
【００１７】
（固体電解質）
本ＳＯＦＣ２における固体電解質層６は、従来公知の形態を採ることができるとともに、その材料についても、同様に従来公知の各種の固体電解質材料を特に限定しないで用いることができる。固体電解質層６は、空気雰囲気および燃料ガス雰囲気において酸素イオン導電性が高く、ガス透過性が無く、電子導電性が無い層を形成できる材料により構成されることが好ましい。例えば、固体電解質材料としては、イットリアあるいはスカンジアを固溶させたジルコニア、イットリアとスカンジアを固溶させたジルコニアが挙げられる。これらの各種ジルコニア固溶体におけるイットリアおよびスカンジアの固溶量としては特に限定しないが、例えば、３〜１２ｍｏｌ％程度とすることができる。
【００１８】
なお、固体電解質材料には、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）などが５ｍｏｌ％以下で固溶化されていてもよい。また、緻密な電解質層６の形成のためには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）など焼結助剤を微量添加させることもできる。
【００１９】
こうしたジルコニア固溶体は商業的に入手可能であるほか共沈法等各種のセラミックス粉末合成方法により製造することができる。
【００２０】
（空気極層）
本ＳＯＦＣ２の空気極層１０は、固体電解質層６に対して積層され、固体電解質層６との間で電極界面を構成している。空気極層１０は、従来公知の各種形態を採ることができるとともに、その材料についても同様に従来公知の各種の空気極材料を特に限定しないで用いることができる。例えば、ＬａＡＭｎＯ３（Ａ＝Ｓｒ ｏｒ Ｃａ）で表されるランタンマンガナイト、ＬａＳｒＣｏＯ３で表されるランタンコバルタイト、ＬａＳｒＦｅＯ３で表されるランタンフェライト、ＬａＳｒＦｅＯ３で表されるランタン鉄コバルタイト、ＬａＮｉＯ３で表されるランタンニッケル酸化物、ＳｍＳｒＣｏＯ３で表されるサマリウムコバルタイト、ＧｄＳｒＣｏＯ３で表されるガドリウムコバルタイトなどが挙げられる。また、ランタンマンガナイトには、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｓｒ等が固溶化されていてもよい。
【００２１】
こうした空気極材料は、商業的に入手可能であるとともに、粉末混合法、共沈法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法などにより製造することができる。
【００２２】
本ＳＯＦＣ２の空気極層１０は多孔質体として構成される。その孔径は特に限定しないが、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、空隙率も特に限定しないが、例えば２０〜５０％程度とすることができる。空気極層１０の厚みも特に限定はないが、例えば５μｍ以上２ｍｍ以下程度が好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下であり、また、より好ましくは１０μｍ以上である。
【００２３】
（燃料極層）
本ＳＯＦＣ２における燃料極層１６は、従来公知の形態を採ることができるとともに、その材料についても、同様に従来公知の各種の燃料極材料を特に限定しないで用いることができる。燃料極材料としては、例えば、ＮｉＯ／ＹＳＺが挙げられる。これらの組成も特に限定しないが、例えば重量比率で５０／５０〜９０／１０とすることができる。また、他の燃料極材料としては、ＮｉＯ／ＳＳＺ、ＮｉＯ／カルシウムを固溶させたジルコニア（以下、ＮｉＯ／ＣＳＺと示す）、ＮｉＯ／セリウム酸化物が挙げられる。
【００２４】
こうした燃料極材料は、商業的に入手可能であるとともに、粉末混合法、共沈法、噴霧熱分解法、スプレードライ法、ゾルゲル法などにより製造することができる。
【００２５】
本ＳＯＦＣ２の燃料極層１６は多孔質体として構成される。その孔径は特に限定しないが、例えば０．１μm以上１０μm以下とすることができる。また、空隙率も特に限定しないが、例えば２０〜５０％程度とすることができる。燃料極層１６の厚みも特に限定はないが、例えば５μm以上２ｍｍ以下程度が好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下であり、また、より好ましくは１０μｍ以上である。
【００２６】
（セパレーター又はインターコネクター）
なお、本ＳＯＦＣ２に用いられるセパレーター３０又はインターコネクターとしては、ＳＯＦＣにおいて従来公知の各種形態を採ることができるとともに従来公知のセパレーター等材料を特に限定しないで用いることができる。例えば、アルカリ土類酸化物を固溶させたランタンクロマイト、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｒフェライト系合金が挙げられる。
【００２７】
（キャビティ）
図１に示すように、本ＳＯＦＣ２の空気極層１０及び燃料極層１６のいずれかあるいは双方（以下、こうした形態を一括して多孔質電極層１８というものとする。）の領域内には、多孔質電極層１８を構成する多孔質体により区画されたキャビティ２０を備えている。多孔質電極層１８におけるキャビティ２０は、多孔質電極層１８を構成する材料の多孔質体から構成されている。すなわち、キャビティ２０は多孔質電極層１８の多孔質体における細孔（空隙）そのものではなく、多孔質電極層１８において、固体電解質層６と電極界面を構成するように周囲と同様の多孔質電極層１８の構造が形成されるべき領域に備えられる凹部、貫通孔、スリットのような形態を採るものである。すなわち、キャビティ２０においては、多孔質電極層１８の厚みは周囲の多孔質電極層１８の厚みよりも小さいかあるいは０となっている。なお、このようなキャビティ２０は、ある場合には、多孔体からなる多孔質電極層１８を区画あるいは分断するように備えられる場合もあり、多孔質電極層１８自体によって区画されている場合も包含されている（図３参照）。
【００２８】
本ＳＯＦＣ２においては、好ましくはこうしたキャビティ２０は燃料極層１６に備えられている。燃料極層16における燃料ガスとの界面が発電特性に大きく影響を及ぼすからである。
【００２９】
キャビティ２０は、多孔質電極層１８の内部に形成されるものとすることも可能であるが、好ましくは、多孔質電極層１８のガス（燃料ガス及び／又は空気等）流路５側及び／又は固体電解質層６側に開口２２を有する形態とすることができる。こうした形態の一例を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すキャビティ２０は、ガス流路５側に開口する凹部（溝）形態となっている。固体電解質層６側又はガス流路５側に開口されることで、いずれもガスの流通状態を向上することができるメリットが生じやすくなる。開口22が電極層18のガス流路側にあることで、こうしたガス流通性向上のメリットが大きく、開口22が電極層18の固体電解質層6側にあることで、活性の高い反応界面を有効に活用できる。
【００３０】
キャビティ２０は、ガス流路５及び固体電解質層６において開口されていることが好ましい。すなわち、ガス流路５から固体電解質層６に到達するように多孔質電極層１８を貫通していることが好ましい。こうしたキャビティ２０の形態においては、発電のために有効な実効面積が減少するにもかかわらず濃度分極を抑制して高い発電特性を得ることができる。こうした形態のキャビティ２０の一例を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）に示すキャビティ２０は、燃料極層１６を貫通する貫通孔部の形態となっている。
【００３１】
キャビティ２０は、このように各種の凹部あるいは貫通孔等の断面形態を採ることができるほか、図２及び図３に示す平面形態を採ることができる。例えば、多数個のキャビティ２０を多孔質電極層１８に分散状に備えるようにしてもよい。このような形態によれば、多孔質電極層１８において均一にキャビティ２０が備えられるため、ガスの流通方向等に依存しないでキャビティ２０による効果を得ることができる。また、こうすることで、多孔質電極層１８におけるキャビティ２０の開口面積の合計を容易に調整することもできる。
【００３２】
また、この場合において、個々のキャビティ２０の開口形状はどのようなものであってもよく限定しない。例えば、円形状、方形状、長方形状等の多角形状、不定形状、さらにはデザインされた形態など各種の形態を採ることができる。個々のキャビティ２０の開口形状は統一されていてもよいし、２種以上を組み合わされていてもよい。
【００３３】
図２（ｂ）〜（ｄ）に示す形態では、いずれも正方形のドット状のキャビティ２０が同心円状に分散配置されており、それぞれ、キャビティ２０の開口面積率が２．２％、６．０％及び１８．０％である。なお、図２（ａ）のキャビティ２０のない多孔質電極層１８の面積を本来の電極面積とし、この電極面積に対する、本来の電極面積からキャビティ２０の開口面積率を差し引いた実際の面積の比率（％）を、実効面積率というものとすれば、図２（ｂ）〜（ｄ）に示す各多孔質電極層１８は、それぞれ、９７．８％、９４．０％及び８２．０％の実効面積を有しているといえる。なお、図２においては、キャビティ２０を貫通孔形態で例示したが、凹部形態であってもよい。
【００３４】
なお、キャビティ２０の開口２２の開口面積の合計は、多孔質電極層１８が本来形成されるべき電極面積の５％以上４０％以下であることが好ましい。この範囲であると、キャビティ２０形成による効果を得ることができるからである。より好ましくは１５％以上であり、さらに好ましくは２０％以上である。また、より好ましくは３５％以下であり、さらに好ましくは３０％以下である。
【００３５】
また、キャビティ２０は、多孔質電極層１８において連続状に形成されていてもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、放射状に形成することもできるし、図３（ｂ）に示すように、リング状あるいはらせん状に形成することもできるし、図３（ｃ）に示すように、グリッド状に形成することもできるし、さらに図３（ｄ）に示すように、ヘキサゴン状に形成することもできる。こうした連続状に形成された場合には、ガス流路を通過するガスの流通方向に沿ってキャビティ２０を形成することができ、そうした場合には、ガス流通性が向上されるメリットがある。なお、これらのパターンは、直線又は曲線から構成されているが、いかなる輪郭のパターンであってもよい。図３においては、キャビティ２０を貫通孔形態で例示したが、こうした形態は、複数個の多孔質電極層１８が通路を隔てて配列されているということもできる。なお、図３の各形態においても、キャビティ２０は凹部形態を採ることもできる。
【００３６】
キャビティ２０のガス流路５側への開口２２の開口幅の最大寸法は５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。この範囲であると、生成したガスの放出に適しているからである。より好ましくは１００μｍ以上であり、また、４００μｍ以下である。
【００３７】
以上説明した構造を備える本ＳＯＦＣ２は、発電に有効な実効面積が変化しないか又は減少するにもかかわらず、濃度分極を抑制して良好な発電特性を示す。本ＳＯＦＣ２によれば、電極のマクロな構造によってこうした発電特性の向上が認められるため、簡易でしかも適用範囲が広いものとなっている。このようなキャビティ２０による効果が生じる原因は必ずしも解明されているわけではないが、キャビティ２０の形成によるガス拡散の促進効果であろうと推測される。
【００３８】
（ＳＯＦＣの製造方法）
次に、本ＳＯＦＣ２の製造に適した製造方法について説明する。
本発明のＳＯＦＣ２の製造方法は、任意のパターンで１又は複数のキャビティ２０を備える多孔質電極層１８を形成する電極形成工程を備えている。キャビティ２０を備える多孔質電極層１８を形成するには、各種の印刷手法のほか、ＵＶやレーザーなどのエネルギー波の照射を伴う切削加工、マイクロドリルなどのマイクロマシンによる微細機械加工などが挙げられる。
【００３９】
以下には、少なくともガス流路５側に開口するキャビティ２０（凹部又は貫通孔部）を備えるＳＯＦＣ２の製造に適している方法を例示して本発明方法を説明する。この方法の電極形成工程は、固体電解質層６に対して多孔質電極層１８の材料を付与すると同時にパターニングしてＳＯＦＣ２におけるガス流路側に開口されるキャビティを備える多孔質電極層１８を形成する多孔質電極層形成工程を備えている。
【００４０】
この方法においては、まず、固体電解質層６を準備する。固体電解質層６は、既に説明した従来公知の固体電解質材料を用いて適切な成形方法や成膜方法を用いて得ることができる。
【００４１】
次に、固体電解質層６に対して多孔質電極層１８の材料を付与する。すなわち、上記した空気極層１０の材料又は燃料極１６の材料である。多孔質電極層１８の材料を固体電解質１６に対して供給するには、こうした場合に用いられている従来公知の方法、例えば、湿式法、溶射法、スパッタ法等を用いることができるが、キャビティ２０の形成方法によっても異なる。
【００４２】
多孔質電極層１８の材料を固体電解質層６に供給するのと同時にキャビティ２０を形成するのであれば、例えば、スクリーン印刷、インクジェット等の各種の印刷手法によってキャビティ２０をパターニングすることができる。スクリーン印刷は大量生産に都合がよいし、インクジェット印刷は、多様な形態でキャビティ２０をパターニングするのに都合がよい。なお、こうした手法によれば、凹部形態のキャビティ２０を形成するのに好都合ではない。
【００４３】
また、多孔質電極層１８の材料を固体電解質層６に供給した後にキャビティ２０を形成するのであれば、特に供給手法を限定しない。印刷手法によりベタ塗りしてもよいし、各種の方法を利用できる。そして、こうした一様な多孔質電極層１８に対してキャビティ２０を形成するには、例えば、ＵＶ、レーザー、電子線等を用いた半導体加工技術や、エッチング（ドライ）、Ｘ線を用いたＬＩＧＡなど、なんらかのエネルギー波の照射を伴う切削加工技術を採用することができるほか、マイクロドリル等の微細機械加工やエッチング（ウエットエッチング）などを、特に限定しないで用いて多孔質電極層１８を切削してキャビティ２０をパターニングすることができる。この手法によれば、凹部形態や貫通孔形態のキャビティ２０を容易に形成することができる。
【００４４】
なお、多孔質電極層１８と固体電解質層６とを接合するには、焼成工程を行う。多孔質電極層１８の材料を固体電解質層６への供給と同時にパターニングする場合には、パターニング後に焼成することになり、多孔質電極層１８の材料を固体電解質層６に供給後にパターニングする場合には、パターニングの前又は後に焼成工程を実施することができる。
【００４５】
なお、最終的にＳＯＦＣ２を製造するには、他方の固体電解質層６の他面側にも他方の多孔質電極層１８を形成してセル４を製造する。その後、必要に応じ、これをセパレーター３０を介してスタックすることによりＳＯＦＣ２を得ることができる。
【００４６】
なお、以上説明した製造工程は、少なくともガス流路５側に開口するキャビティ２０（凹部又は貫通孔部）を備えるＳＯＦＣ２の製造工程であり、固体電解質層６側に開口するキャビティ２０を備えるＳＯＦＣ２を製造する場合には、予め準備した多孔質電極層１８の固体電解質層６側に当接される面に上記各種方法でパターニングを施した上、この多孔質電極層１８と固体電解質層６とを一体化することができる。
【００４７】
以上説明した本発明のＳＯＦＣの製造方法によれば、簡易な方法によってＳＯＦＣ２の発電特性を向上させることができる。また、パターニングによりキャビティ２０を各種の態様で形成できるため、大きさ、形態、種類を問わないで広い範囲のＳＯＦＣ２に適用可能である。
【実施例１】
【００４８】
以下、本発明を、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４９】
本実施例では、ＳＯＦＣの燃料極としてＮｉ／８ＹＳＺのサーメット（Ｎｉ：８ＹＳＺ＝８０：２０（モル比））、空気極としてＬａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、電解質としては厚さ３００μｍの８ＹＳＺを用いた。また、燃料極及び空気極の面積は２ｃｍ２（直径：１．５９６ｃｍ）とした。本実施例では、燃料極の形成に際し、スクリーン印刷によってキャビティのパターニングを施してＳＯＦＣを作製した。
【００５０】
まず、パターニングのためのスクリーンメッシュを作製した。本実施例では、３００μｍ×３００μｍの正方形のドットパターンを同心円に配置したスクリーンメッシュを作製した。具体的には、ドットパターンを施さないスクリーンＡパターン（図２（ａ））に対して、４９個のドットを同心円状に配置したＢパターン（図２（ｂ））、１３３個のドットを配置したＣパターン（図２（ｃ））及び４００個のドットを配置したＤパターン（図２（ｄ））を作製した。このドット部分には多孔質電極層が形成されないため、実質的な電極面積（実効面積）はＢパターンで９７．８％、Ｃパターンで９４．０％、Ｄパターンで８２．０％となった。
【００５１】
これらのスクリーンパターンを用いて、８ＹＳＺ電解質板（厚み３００μｍ）上に燃料極材料のペーストをスクリーン印刷した。スクリーン印刷条件、ペースト作製条件及びスクリーンと電解質との間隔（Ｇａｐ）を適宜調整して、電極層（厚み２０μｍ）を形成すると同時にキャビティをパターニングした。これを１４００℃で熱処理することにより、燃料極材料を焼き付けた。
【００５２】
さらに、固体電解質層に対して、空気極層（厚み１５μｍ）を形成してＳＯＦＣを作製した。空気極層の形成は、燃料極と同様にスクリーン印刷の後に１２００℃で焼き付けた。これら、燃料極層のキャビティのパターニングが異なる３種類（又は４種類）のＳＯＦＣについて１０００℃における発電特性について評価した。結果を図４に示す。
【００５３】
図４に示すように、Ｄパターンを施すことによってＡパターンと比較して最大出力密度が３３．８％向上した。この結果から、適当なパターニングを施すことによって、発電性能が向上することがわかった。この原因を明らかにするために、さらに燃料極の特性を電流遮断法で評価した。その結果を図５と図６に示す。
【００５４】
図５に示すように、パターニングによらずほぼ同様な挙動が得られていることから、本実施例のパターニングでは、燃料極内の導電パスに悪い影響を及ぼしていないことがわかった。それに対して、図６にみられるように、パターニングを施すことによって濃度分極が高電流密度側に抑制されていることがわかる。これにより、本パターニングはガス拡散を促進する効果があり、それによって発電特性が向上したことがわかった。
【００５５】
さらに、これらの結果をもとに最適なドットパターニングについて計算した。本ドットパターニングを施すと、電極の実効面積が小さくなるために、面積に比例して発電特性は小さくなることが予想される。その実効面積の減少分を補うだけの発電特性が得られることになる。すなわち、全体の発電特性は、実効面積とパターニング効果による値との掛け合わせになる。これらの観点から、これまでのデータをフィッティング計算したところ、パターニングを施さない発電特性とパターニングによる発電特性との割合をｐとし、パターニングの面積分率をｒとすると、（１）式のように表すことができた。これを測定したデータを合わせてグラフにしたものを図７に示す。
【００５６】
【数１】
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【００５７】
図７に示すように、ドットパターニングは濃度分極を抑制するため発電特性改善に有効であること、この効果はパターニングの面積割合を２５％とすることで最大となり発電特性に及ぼす効果として最大３５．７％の向上が期待できることがわかった。
【実施例２】
【００５８】
ＳＯＦＣの構成としては、パターニング以外は、実施例１と同様にした。本実施例におけるパターニングは、図３（ｄ）に示すヘキサゴン状とした。なお、このパターニングは、線幅を３００μｍと固定し実質的な電極面積（実効面積）を８２．０％でパターニング（Ｈパターン）したものである。なお、対照として、パターニングを施さないＡパターンとの比較をおこなった。実施例１と同様にしてＳＯＦＣを作製し、１０００℃における発電特性を評価した。結果を図８に示す。
【００５９】
図８に示すように、ＡパターンとＨパターンの差はわずかであるが、Ｈパターンを施すことによって最大出力密度が若干上昇することがわかった。この原因を明らかにするために、ＩＲ特性とη特性を電流遮断法にて調べた。その結果を図９と図１０に示す。
【００６０】
図９及び図１０に示すように、Ｈパターンでは電極の電子伝導性をわずかに低下させるがη特性が向上されることがわかった。これらの結果より、電子伝導性に対する悪影響を取り除けば、Ｈパターンについてもさらなる発電特性の向上が期待できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の構造の例を示す図。
【図２】分散状のパターニングの例を示す図。
【図３】連続状のパターニングの例を示す図。
【図４】パターニングが発電特性に及ぼす影響を示すグラフ図。
【図５】パターニングが燃料極のＩＲに及ぼす影響を示すグラフ図。
【図６】パターニングが燃料極のη分極特性に及ぼす影響を示すグラフ図。
【図７】パターニングによる発電特性の改善を示すグラフ図。
【図８】パターニングによる発電特性の相違を示すグラフ図。
【図９】パターニングが燃料極のＩＲに及ぼす影響を示すグラフ図。
【図１０】パターニングが燃料極のη分極特性に及ぼす影響を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００６２】
２  固体酸化物形燃料電池、４  セル、５  ガス流路、６  固体電解質層、１０  空気極層、１６  燃料極層、２０  キャビティ、２２  開口、３０  セパレーター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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